纳米纤维纱线、带和板的制造和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种用于生成纳米纤维带或板的工艺，所述工艺包括以下步骤(a)布置纳米纤维以提供基本平行的纳米纤维阵列，该纳米纤维阵列在该纳米纤维阵列内具有纤维间连接性；以及(b)从所述纳米纤维阵列拉伸所述纳米纤维作为带或板，而基本上不对所述带或板加捻，其中所述带或板的宽度至少约1毫米。本发明专利技术还涉及纳米纤维纱线、带和板的制造工艺、装置及其应用。

【技术实现步骤摘要】
本申请是于2013年4月27日提交的、申请号为201310153933.X的专利技术专利申请的分案申请。本工作得到DefenseAdvancedResearchProjectsAgency/USArmyResearchOfficegrantW911NF-04-1-0174、TexasAdvancedTechnologyProgramgrant009741-0130-2003、以及RobertA.WelchFoundation的支持。相关申请的交叉引用本专利申请要求享有以下美国临时专利申请的优先权：2004年11月9日递交的No.60/626,314；2005年3月30日递交的No.60/666,351；2005年7月26日递交的No.60/702,444。
描述了用于对包括纳米纤维的高性能加捻、假捻和无捻纱线进行纺纱以及用于拉伸包括纳米纤维的板和带的方法和装置。描述了这些纱线、带和板的成形制品、复合物和应用。
技术介绍
商业合成方法用作为烟灰状材料的单壁碳纳米管(SWNT)或多壁碳纳米管(MWNT)生成纳米纤维。在此烟灰中单个碳纳米管的强度和弹性模量公知异常地高，对于约1.4nm直径的SWNT这两个参数分别为～37GPa和～0.64TPa(R.H.Baughman,A.A.Zakhidov,andW.A.deHeer,Science297,787-792(2002))。与需要强而轻材料的应用相关，单个SWNT的密度正则化模量和强度甚至更加令人印象深刻，分别比高拉伸强度钢丝的高～19和～54倍。阻碍这些和其它纳米纤维的应用的一个关键问题在于，需要用于将这些纳米纤维组装成有效利用纳米纤维特性的长纱线、板和成形制品的方法。因为这些纳米纤维可以产生除机械特性之外的其它功能性，所以需要方法来提高由纳米纤维制成的纤维的机械特性，而不会影响这些其它功能性。这些其它功能性与机械功能性结合起来使得纤维成为多功能的，其重要示例有电致变色、导电和导热、机电致动以及电能存储。已知用于在固体基体上生长作为平行排列纤维林的单壁和多壁纳米管、以及利用MWNT林用于制造纳米纤维组件的工艺的方法，参见K.Jiangetal.,Nature419,801(2002)和美国专利申请公开No.20040053780(2004年3月18日)。但是，所得到的组件非常脆弱，所以它们无法用于需要任何较高水平拉伸强度的应用。尽管在对含SWNT或MWNT的聚合物溶液或聚合物熔融物进行纺纱中已经有了进步，但当纳米管含量高于10％很多时，熔融物粘度变得对于传统的熔融物或溶液纺纱过高。然而，对于聚合物溶液纺纱的SWNT已获得了令人印象深刻的机械特性，这很大程度上可以归因于纳米管的机械特性(参见S.Kumaretal.Macromolecules35,9039(2002)和T.V.Sreekumaretal.,AdvancedMaterials16,58(2004))。聚合物熔融物和聚合物溶液纺纱两者的另一问题是聚合物中纳米管的量不足以对诸如导热和导电性之类的特性有效地作出贡献。此外，单个纳米管的独特机械特性被削弱，因为目前纤维的主要成分是聚合物。A.Lobovsky等人(美国专利No.6,682,677)描述了一种鞘－核熔融纺纱工艺，试图避免由熔融纺纱纱线中碳纳米管的低浓度导致的常见限制。该工艺涉及在聚丙烯基体中熔融混合30％重量的极大直径碳MWNT(直径150－200nm且长度50－100微米)。该纳米管/聚合物混合物被成功纺为含聚丙烯作为核的鞘/核聚合物的鞘。尽管鞘中纳米管/聚合物的混合物具有高粘度且固化合成物是脆性的，但聚合物核的存在允许在鞘中对纳米管进行纺纱以及随后的局部对齐排列。聚丙烯的高温分解留下中空的纳米管纱线(外径0.015英寸且内径0.0084英寸)。为了增大中空纳米管纱线的强度，使用化学气相沉积(CVD)工艺涂覆碳。甚至在此CVD涂覆工艺之后，中空纳米管纱线仍具有低的强度和低的模量，并且相当脆(参见Lobovsky等人的美国专利No.6,682,677)。一种基于凝胶的工艺使得能够对SWNT/聚乙烯醇复合物的连续纤维进行纺纱(B.Vigoloetal.,Science290,1331(2000)；R.H.Baughman,Science290,1310(2000)；B.Vigoloetal.,AppliedPhysicsLetters81,1210(2002)；A.Lobovsky,J.Matrunich,M.Kozlov,R.C.Morris和R.H.Baughman,美国专利No.6,682,677；以及A.B.Daltonetal.,Nature423,703(2003))。该工艺现有的问题来自以下情况，即纳米管与聚乙烯醇(PVA)同时相结合组装来形成凝胶纤维，这些凝胶纤维被转换为固体纳米管/PVA纤维。于是此PVA会干扰碳纳米管之间的电和热接触。可以通过高温分解去除PVA，但这严重影响了纤维的机械特性。不幸的是，由以上凝胶纺纱工艺制造的含聚合物纤维无法用于作为浸入电解液中的电极的应用，因为这些纤维显著膨胀(100％或更多)而失去了其大部分干燥状态下的模量和强度。该工艺意味着这些含聚合物纤维无法用于使用电解液的非常重要的应用中，例如在超级电容器和机电致动器中(R.H.Baughman,Science290,1310(2000))。在另一工艺中(V.A.Davis等人，美国专利申请公开No.20030170166)，首先将SWNT在100％硫酸中分散并随后湿纺到乙醚凝结浴中。虽然是高导电的(W.Zhouetal.,JournalofAppliedPhysics95,649(2004))，但这样制备的纱线的特性会受到影响，部分由于与硫酸接触过长所导致的SWNT的部分劣化。该劣化可以部分通过真空中的高温热退火而逆转，但仍对实际的应用产生严重的阻碍。而且，直接形成聚合物组件的任何基于溶液或熔融物的处理方法都会由于与聚合物分散相关联的粘度增大以及纳米管卷绕所形成的具有很小纳米管方位的小球，而被限制到短的纳米管长度(通常几个微米)。Y.Li等人(Science304,276(2004))报道MWNT纱线可以在通过CVD合成纳米管的过程中直接从非定向碳纳米管气凝胶(aerogel)形成。虽然得到了加捻纱线，但纳米管长度(～30μm)对纱线直径的比值是大约一致的，这意味着无法获得由于加捻产生的横向力所导致的重要性质提高。将微米直径的纤维捻到一起制成机械特性提高的加捻纱线在现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于连续地生产纳米纤维板、带或者纱线的工艺，该工艺包括：在基体上的炉生长区域中合成纳米纤维林，其中所述纳米纤维林包括纳米纤维的平行阵列；并且从所述纳米纤维林中拉伸所述纳米纤维以形成初级组件，该初级组件为板、片或者纱线，其中所述基体从所述炉生长区域连续地运动到所述纳米纤维林中的纳米纤维被拉伸的区域中。

【技术特征摘要】
2004.11.09 US 60/626,314;2005.03.30 US 60/666,351;1.一种用于连续地生产纳米纤维板、带或者纱线的工艺，该工艺包括：
在基体上的炉生长区域中合成纳米纤维林，其中所述纳米纤维林包括纳米纤维的平行
阵列；并且
从所述纳米纤维林中拉伸所述纳米纤维以形成初级组件，该初级组件为板、片或者纱
线，其中所述基体从所述炉生长区域连续地运动到所述纳米纤维林中的纳米纤维被拉伸的
区域中。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，当所述初级组件是带或者板时，在没有加捻的情
况下进行拉伸，当所述初级组件是纱线时，拉伸包括加捻。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述基体相对于所述炉生长区域运动。
4.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述基体是柔性的。
5.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述基体是柔性带或者附装到运动带。
6.根据权利要求1所述的工艺，其中，之上合成有所述纳米纤维林的所述基体是鼓，并
且所述纳米纤维从所述鼓拉伸。
7.根据权利要求1所述的工艺，还包括将所述初级组件卷绕或者沉积在第二基体上。
8.根据权利要求1所述的工艺，其中，拉伸所述纳米纤维产生纳米纤维带，并且其中，所
述纳米纤维带被层叠至第二纳米纤维带以形成纳米纤维板。
9.根据权利要求8所述的工艺，其中，所述层叠涉及从包括化学结合剂、电子束、热处
理、离子束、射频辐射、微波辐射及以上的组合的组中选择的层叠手段。
10.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述纳米纤维林通过化学气相沉积而合成。
11.根据权利要求1所述的工艺，其中，所述纳米纤维林通过以下来致密化：吸收包括易
挥发成分的液体，随后使所述液体的易挥发成分挥发。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梅，房少立，R·H·鲍曼，A·A·扎希多夫，K·R·阿特金森，A·E·阿利耶夫，S·利，C·威廉斯，
申请(专利权)人：得克萨斯大学体系董事会，
类型：发明
国别省市：美国;US